基于船型FPSO小型LPG回收外輸裝置布置設(shè)計

王立陳，王國富，杜國強，張紫臻，邵艷紅

海洋石油工程股份有限公司，天津 300451

輕烴回收是指回收原油伴生氣或者天然氣中丙烷（乙烷）及以上重組分，并將這些組分分離成液化石油氣、穩(wěn)定輕烴、凈化天然氣及其他有機化工原料等。輕烴回收的主要產(chǎn)品是干氣、液化氣和輕油。其中，干氣具有很高的熱值；液化氣可以供民用，也可以作為生產(chǎn)乙烯的原料；輕油可用于生產(chǎn)汽油和化工原料等。

在浮式裝置上設(shè)置輕烴回收系統(tǒng)可以降低油氣損耗，提高輕烴資源綜合利用程度，獲得液態(tài)輕烴資源的更大價值，還能保證油氣在儲藏、運輸過程中的安全性，減少大氣污染，對提高油氣田的整體經(jīng)濟效益，具有重要的現(xiàn)實意義。我國國內(nèi)天然氣資源豐富，輕烴回收已成為各大油氣田的重要工作，并成為各大油田新的經(jīng)濟增長點[1]。本文依托某項目，闡述以LPG（液化石油氣）為代表的輕烴回收設(shè)計，著重介紹船型FPSO上LPG系統(tǒng)設(shè)施布置設(shè)計。

1 LPG物理化學(xué)性質(zhì)

LPG，即液化石油氣，是丙烷和丁烷的混合物，通常伴有少量的丙烯和丁烯，無色氣體或黃棕色油狀液體。GB 18218《危險化學(xué)品重大危險源辨識》中將LPG列為重大危險易燃物質(zhì)[2]，具有如下特性。

（1）LPG的體積膨脹系數(shù)比水的大十幾倍，而且溫度越高，系數(shù)越大。

（2）LPG的體積壓縮系數(shù)（壓力每升高1MPa時，液體體積的縮減量即為體積壓縮系數(shù)）大約只有其體積膨脹系數(shù)的一半。這說明LPG容器在滿液狀態(tài)下，隨著溫度升高，容器內(nèi)壓力會急劇升高。

（3）高揮發(fā)性。儲存在容器內(nèi)的LPG如果以液態(tài)泄漏出來，由于壓力降低，會迅速氣化，體積膨脹為約250倍的氣態(tài)石油氣，遇火會發(fā)生燃燒和爆炸。

（4） 當(dāng)液態(tài)LPG噴濺到水面或水流噴射到LPG液面，會導(dǎo)致LPG高速氣化及強烈湍流。

（5）LPG氣化潛熱比較大，因此生產(chǎn)過程中嚴(yán)禁液態(tài)的石油氣直接接觸人體，以免皮膚凍傷。

（6）LPG的氣態(tài)密度是空氣的1.5～2倍，易在大氣中自然擴散，并向低洼區(qū)流動，聚積在不通風(fēng)的低洼地點。

2 LPG回收流程

由于FPSO空間的限制，在陸地上較為成熟但較為復(fù)雜的LPG回收工藝流程并不適用于海上浮式裝置，因此，海上浮式裝置的LPG回收應(yīng)該在保障一定收益的前提下，流程盡量簡單，有利于操作。圖1為某投產(chǎn)FPSO的LPG雙塔回收流程，圖2為LPG外輸流程。

圖1 雙塔回收流程

圖2 LPG外輸流程

3 L PG回收裝置布置設(shè)計

LPG回收設(shè)施總體布置的主要研究內(nèi)容為：根據(jù)LPG回收裝置的設(shè)施數(shù)量與使用要求、海域的環(huán)境條件和FPSO總體布置，將回收設(shè)施安全、合理、經(jīng)濟地布置在有限的平臺甲板上，并使重心分布能滿足下部船體總體性能要求。

3.1 LPG設(shè)備布置原則

（1）設(shè)備布置應(yīng)能滿足生產(chǎn)作業(yè)的需要。

（2）應(yīng)結(jié)合設(shè)施建造方案、總裝方式的要求，合理制定設(shè)備布置方案。

（3）總體布置應(yīng)滿足安全、防火、消防、人員逃救生等需求。

（4）設(shè)備設(shè)施應(yīng)分區(qū)布置，按照生產(chǎn)設(shè)施危險性遞減原則展開，合理進行危險區(qū)域劃分，并以防火間隔或者防火墻進行分隔。

（5）設(shè)備設(shè)施布置應(yīng)能便于操作管理，提供充足、合理的操作維修區(qū)域和逃生通道。

（6）平臺的設(shè)備布置應(yīng)考慮其重量可在組塊甲板上均勻分布，其重心分布能滿足浮體總體性能要求。

（7）設(shè)備布置應(yīng)有利于減弱船體搖動對設(shè)備運行的沖擊。

（8）有效的自然通風(fēng)。

（9）考慮LPG常溫常壓下物理特性，對潛在點火源和烴類儲罐實行有效分離。

（10）滿足工藝流程技術(shù)要求。

3.2 LPG設(shè)備布置方案

3.2.1 LPG設(shè)備總體布置設(shè)計

LPG的火災(zāi)危險性屬于甲A類[3]，原油和天然氣的火災(zāi)危險性屬于甲B類[3]，LPG回收裝置增加了原油設(shè)施的危險性。在一艘空間相對狹小的FPSO上布置LPG回收裝置，應(yīng)盡量減小發(fā)生災(zāi)害事故的可能性及事故的影響。本文以南海某FPSO上部模塊為例進行說明。通常FPSO上部功能模塊的布置（見圖3）按照生產(chǎn)設(shè)施危險性遞減原則展開，從艏到艉，依次布置原油/天然氣設(shè)備、生產(chǎn)水處理設(shè)備、熱站/電站、電氣房間、生活樓，按照LPG的火災(zāi)危險性等級，LPG儲罐和回收模塊應(yīng)布置在更靠近艏的位置。

圖3 FPSO上部功能模塊布置

FPSO上部模塊采用模塊化的建造總裝方式，結(jié)合其工藝流程要求，LPG回收設(shè)備也采用單元模塊的布置設(shè)計，并將單元模塊布置在上部模塊右舷側(cè)，便于設(shè)備或者管道泄漏產(chǎn)生的LPG氣體在風(fēng)力作用下迅速被吹離平臺。

3.2.2 儲罐區(qū)隔離設(shè)計

LPG儲罐作為燃料源，應(yīng)采取適當(dāng)分隔措施減少次生災(zāi)害發(fā)生的概率。由于FPSO空間狹小，無法按照陸地的隔離距離進行布置，但應(yīng)考慮通過調(diào)整設(shè)施布置，在儲罐的兩側(cè)設(shè)置隔離區(qū)，隔離區(qū)的寬度采用安全分析和氣體擴散模型作為模擬工具給出推薦距離來降低對周圍設(shè)施的影響。除了被動隔離措施之外，將四個儲罐劃分為四個火區(qū)，采用噴淋 （噴淋強度為 9 L·m-2·min-1）[4]進行有效隔離，防止火焰蔓延。

系統(tǒng)在獲得數(shù)據(jù)分片后，對分片進行哈希計算，得到每個分片的哈希值后，與之前原數(shù)據(jù)存儲在智能合約中的哈希值進行比對、驗證。如果哈希值相同，則系統(tǒng)返回數(shù)據(jù)未被改動；反之，則提醒用戶數(shù)據(jù)已經(jīng)被篡改。另外，考慮到分布式存儲的容錯性，如果出現(xiàn)部分分片丟失，只要丟失的分片數(shù)量小于系統(tǒng)數(shù)據(jù)冗余分片數(shù)量，系統(tǒng)仍然能夠還原數(shù)據(jù)源文件，具體如圖8所示。

關(guān)于罐區(qū)圍堰的設(shè)計，參照API 2510的要求[5]，罐區(qū)應(yīng)設(shè)置圍堰以備事故情況下盛放緊急泄放的液體，但基于FPSO空間有限的實際情況，無法照搬陸地的設(shè)計規(guī)定，因此，需結(jié)合定量風(fēng)險分析（QRA） 和有限元分析（FEA） 的分析結(jié)論，本文依托的項目經(jīng)過第三方的論證，基于總圖設(shè)計規(guī)劃的隔離距離，全船的個人死亡風(fēng)險已處于國際通行的可接受范圍內(nèi)，LPG罐區(qū)在本區(qū)域因泄漏而形成的池火累積概率或包扎概率均小于1×10-5a-1（設(shè)計事故載荷的可接受標(biāo)準(zhǔn)是1×10-4a-1）[6]。圍堰高度和大小未參照API 2510的規(guī)定，其功能只作為設(shè)備維護保養(yǎng)的附屬設(shè)施。

3.2.3 對船體搖動的設(shè)計考慮

FPSO在風(fēng)、浪等自然環(huán)境的作用下，將產(chǎn)生橫搖和縱搖現(xiàn)象，直接影響儲罐的液位穩(wěn)定，間接影響LPG的外輸及正常的生產(chǎn)。為減弱搖動的影響，將LPG臥罐容器的長軸、泵及壓縮機的軸方向沿著船長方向進行布置。

3.2.4 回收工藝處理設(shè)備布置方案

回收工藝流程主要包括脫甲烷塔、脫乙烷塔、再沸器、回流罐、回流泵、冷卻器等設(shè)備。

船體因海浪、海風(fēng)產(chǎn)生的橫搖將對高塔（脫甲烷脫乙烷）的分離性能和分離效率產(chǎn)生不利影響。塔器布置在船舯可最大程度減弱橫搖的影響。

單元模塊各層設(shè)備布置高度設(shè)計應(yīng)滿足工藝計算和泵汽蝕余量的要求。第一層甲板（EL.+0 000）布置2臺回流泵與1臺再沸器。第二層甲板（EL.+3 700） 布置2臺塔底重沸器；在重沸器抽芯空間的上方設(shè)置滑道梁，便于以后維修。第三層甲板（EL.+8 500） 布置回流罐，滿足回流泵汽蝕余量要求。第三層和第四層甲板之間設(shè)置夾層（EL.+12 400），供回流罐頂部儀表閥門操作使用。第四層甲板（EL.+16 000）布置冷卻器，高度應(yīng)滿足冷卻器和回流泵的位差要求。第五層甲板（EL.+21 500）設(shè)置安全泄放閥組。由于塔器較高，為了提高塔器在FPSO上的穩(wěn)定性，在第五層結(jié)構(gòu)甲板邊緣設(shè)置導(dǎo)向限位結(jié)構(gòu)框架對塔身進行固定。在每層甲板設(shè)置斜梯和直梯通往上一層甲板，具體如圖4所示。

圖4 單元模塊立面

運輸船采用艉靠或旁靠方式進行?？?。儲罐內(nèi)經(jīng)處理后合格的LPG通過FPSO上的外輸泵輸送至運輸船。結(jié)合泵的汽蝕余量要求、點火源與燃料源應(yīng)分離的要求以及靠船方式，將外輸泵布置在儲罐臨近的靠船側(cè)模塊下方船體主甲板位置。外輸絞車布置在艉部靠船側(cè)，見圖3。

3.2.6 FPSO上部模塊設(shè)施對LPG設(shè)施布置的考慮

（1）平臺吊機布置時，其覆蓋范圍應(yīng)遠(yuǎn)離儲罐上方，避免在儲罐附近設(shè)置卸貨區(qū)。

（2）由于塔器較高（遠(yuǎn)高于吊機），為避免吊機誤操作導(dǎo)致的碰撞風(fēng)險，吊機應(yīng)設(shè)置限位。

（3）LPG氣體密度大于空氣，若發(fā)生泄漏將會聚集在泄漏點底部，因此，儲罐模塊下方應(yīng)避免布置動設(shè)備。

（4）為了避免經(jīng)單點進入上模流程的原油管道途徑罐區(qū)船舯管廊時可能發(fā)生的泄漏對LPG罐區(qū)形成的安全隱患，取消儲罐模塊舯管廊設(shè)計，經(jīng)單點輸送的原油管道經(jīng)由儲罐模塊甲板下方進入工藝處理流程。

（5）通過FEA分析計算出LPG設(shè)備（包括塔、儲罐等）在火災(zāi)爆炸工況下承受的爆炸載荷和熱輻射量，從而確定是否需要進行設(shè)備布置的調(diào)整，是否需要對設(shè)備增加被動防火保護，以確保人員逃生時間，防止事故的再擴大化。

3.3 船型FPSO上部模塊LPG設(shè)備布置要點

（1）基于FPSO的搖動特征，塔器應(yīng)布置在靠近搖動幅度最小的船舯區(qū)域，在塔身適當(dāng)位置設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)框架，固定在小平臺邊緣結(jié)構(gòu)梁上。

（2）將LPG儲罐布置在敞開區(qū)域，利于自然通風(fēng)對可能產(chǎn)生的泄漏氣體發(fā)揮擴散稀釋作用，儲罐在滿足底部出液管道的前提下，應(yīng)適當(dāng)降低重心以提高穩(wěn)性。

（3）通過在有限的FPSO空間內(nèi)，優(yōu)化上部模塊設(shè)備布置，在單點與LPG罐區(qū)間、LPG罐區(qū)與工藝處理模塊間，預(yù)留了適當(dāng)?shù)陌踩g距。

（4） 儲罐作為浮式裝置上最大的危險源，F(xiàn)PSO服務(wù)設(shè)施根據(jù)其危險性進行適應(yīng)性布置，吊機覆蓋范圍應(yīng)盡量避開儲罐區(qū)域，避免在罐區(qū)布置機械類設(shè)備。

（5）對LPG回收處理系統(tǒng)進行功能分區(qū)，對LPG回收處理設(shè)備集中布置，形成處理模塊單元，不僅可以使工藝流程暢順、合理，還利于LPG功能區(qū)投入運行后的安全管理，同時有利于模塊化建造的實施。

4 結(jié)束語

不同于陸地石油站場，船型FPSO裝置的空間有限，且最大的特點是處于周期性的搖動狀態(tài)，因此，海上浮式裝置的LPG回收設(shè)備布置設(shè)計與陸地相比具有較大的差異。防火間距以及設(shè)備布置要考慮船型FPSO裝置的特點。隨著我國海洋戰(zhàn)略的實施，能源領(lǐng)域?qū)㈥懤m(xù)開發(fā)深水和邊際油氣田，而FPSO的優(yōu)越性以及以LPG為代表的輕烴回收所產(chǎn)生的社會和經(jīng)濟效益將會更加明顯，其在海上油氣田開發(fā)中擁有廣闊的應(yīng)用前景。